陳玉祥， 熊 飛， 朱林培， 劉 雄

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院， 廣東 廣州 511434)

引言

電機(jī)冷卻系統(tǒng)是混合動(dòng)力變速器重要組成部分，當(dāng)電機(jī)的電磁方案和內(nèi)部損耗確定之后，冷卻系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的換熱效果是影響電機(jī)散熱的主要因素。電機(jī)的冷卻方式有風(fēng)冷和液冷2種，液冷方式又包括油冷和水冷。對(duì)于含有制動(dòng)器或離合器等控制元件的混合動(dòng)力變速器而言，需要設(shè)計(jì)高壓閉合油路來(lái)完成控制，電機(jī)采用油冷方式，可以實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)與高壓控制系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為新的發(fā)展趨勢(shì)。

油冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為避免出現(xiàn)噴油孔流量分配不均導(dǎo)致電機(jī)局部溫升過(guò)高的問(wèn)題，提升冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)能力，成熟可靠的匹配分析方法是關(guān)鍵。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能夠有效帶走電機(jī)的熱量， 減少工藝的復(fù)雜性，而且能夠減少反復(fù)試驗(yàn)造成的試驗(yàn)資源浪費(fèi)[1]。為了對(duì)冷卻系統(tǒng)流量分配的合理性進(jìn)行評(píng)估，較多采用數(shù)學(xué)建模的分析方法[2-3]，采用三維軟件和一維軟件進(jìn)行仿真計(jì)算[4-5]也各自具有不同的優(yōu)勢(shì)。三維仿真分析考慮詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)，仿真精度高，但缺乏靈活性。數(shù)學(xué)建?；蚧谝痪S商業(yè)軟件的分析都可以較好的進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化分析。

本研究通過(guò)多維度的仿真分析方法，從方案設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)油冷電機(jī)噴油冷卻系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究。首先，根據(jù)電機(jī)冷卻需求，確定噴油冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和噴油孔位置，并對(duì)影響噴油效果的因素進(jìn)行分析，確定優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建優(yōu)化方法；然后，建立三維、一維仿真模型，通過(guò)流量分配臺(tái)架測(cè)試，驗(yàn)證仿真分析的精度。三維分析校核了初始方案及一維分析的壓力分布，為一維多參數(shù)優(yōu)化分析提供準(zhǔn)確的分析模型；最后，基于一維優(yōu)化方法，對(duì)噴油管直徑、不同位置的噴油孔直徑等因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最優(yōu)的噴油管結(jié)構(gòu)。通過(guò)三維和一維相結(jié)合的分析方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜噴油冷卻系統(tǒng)分析精度和多參數(shù)優(yōu)化的統(tǒng)一，克服了單一分析的局限性，避免了數(shù)學(xué)建模求解困難的問(wèn)題，較好的改善了電機(jī)冷卻均勻性。

1 油冷電機(jī)噴油系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

根據(jù)油冷電機(jī)的結(jié)構(gòu)和冷卻需求，確定冷卻系統(tǒng)的布置及初步方案。通過(guò)對(duì)噴油管典型結(jié)構(gòu)的分析，得到影響噴油孔噴射質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并提取優(yōu)化變量，建立優(yōu)化方程。

1.1 噴油管布置及開(kāi)孔方案

某混合動(dòng)力變速箱噴油管位置及安裝如圖1所示，噴油管安裝在電機(jī)定子外圍的殼體上面，噴油管上開(kāi)有不同方向的小孔，冷卻油液從噴油孔噴出。

圖1 噴油管位置及安裝

圖2為電機(jī)噴油冷卻回路的整體結(jié)構(gòu)。主要由進(jìn)油口、進(jìn)油管、噴油管和噴油孔4部分組成。

冷卻回路進(jìn)油口從機(jī)殼上部穿過(guò)，冷卻潤(rùn)滑液通過(guò)進(jìn)油管路到達(dá)噴油管，噴油管上分布多個(gè)噴油孔，冷卻液從噴油管小孔噴到電機(jī)的定子表面，最后又流回油底殼，形成一個(gè)回路。每個(gè)電機(jī)由3根噴油管進(jìn)行噴油冷卻，噴油管1，2和3給電機(jī)1冷卻，噴油管4，5和6給電機(jī)2冷卻，噴油管7給齒輪嚙合進(jìn)行潤(rùn)滑。

圖2 噴油冷卻系統(tǒng)

1.2 影響因素分析

初步方案確定后，進(jìn)一步對(duì)噴油管的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。從圖2可知，噴油管系統(tǒng)最主要的結(jié)構(gòu)是T形管，流量分配孔一般采用短孔，進(jìn)油管和噴油管組成T形管結(jié)構(gòu)，噴油管和末端的噴孔也是T形管結(jié)構(gòu)。T形噴油管的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 T形管結(jié)構(gòu)

流過(guò)T形管的壓力計(jì)算如式(1)和式(2)所示[6]:

(1)

(2)

式中, Δpλ—— 沿程壓力損失

v—— 管內(nèi)油液的平均流動(dòng)速度

Da—— 入口的管道直徑

Db—— 噴油口的直徑

Re—— 雷諾數(shù)

從式(1)可知，噴油管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素為噴油管的直徑和噴油孔的直徑。本研究噴油孔壓力指噴油孔處T形管交叉位置的壓力，即噴油孔入口壓力。冷卻液在噴射過(guò)程中，各噴油孔處的噴射速度和壓力不同。若差異太大，會(huì)造成部分噴油孔噴油壓力大，噴射力度強(qiáng)，油液噴出量多；而部分噴油孔噴油壓力小，出現(xiàn)“滴油”現(xiàn)象。從而導(dǎo)致電機(jī)各處冷卻液噴灑不均，出現(xiàn)局部過(guò)溫問(wèn)題。因此，冷卻油路設(shè)計(jì)是否合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是各噴油孔的壓差盡可能小。

噴油孔的位置和數(shù)量與電機(jī)的發(fā)熱特性有關(guān)，電機(jī)冷卻需求量最大的部位為繞組兩端[7-8]。每1根噴油管在繞組位置設(shè)計(jì)2個(gè)大小一致的孔，中間部位流量需求小，設(shè)計(jì)1個(gè)孔。雙孔噴油孔的直徑和單孔噴油孔的直徑有一定的差異。因此，為了獲得最優(yōu)的噴油冷卻結(jié)構(gòu)，需對(duì)這3個(gè)因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。該參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題可以表述成以下數(shù)學(xué)模型：

minf(X)

f(X)=max(p1,p2，…，pn)-min(p1,p2…pn)

s.t.gj(X)≥0.2,j=1,2,…,n

X=[x1,x2,x3]

(3)

式中，pn—— 第n個(gè)噴孔的壓力

f(X) —— 優(yōu)化目標(biāo)，表示最大壓差

X—— 一個(gè)n維的向量，表示上述優(yōu)化問(wèn)題的一組可行解

2 仿真建模及分析

2.1 三維仿真分析

采用軟件Star-ccm+進(jìn)行三維仿真計(jì)算，得到各個(gè)部位的壓力損失及流場(chǎng)分布，確定各噴油孔的流量，并且直觀的顯示各個(gè)噴油孔的噴射狀態(tài)。如果某些噴孔出現(xiàn)“滴油”現(xiàn)象，則說(shuō)明設(shè)計(jì)方案不合理，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

1) 三維建模及參數(shù)設(shè)置

對(duì)油冷電機(jī)噴油冷卻系統(tǒng)的幾何模型進(jìn)行流體域抽取，并導(dǎo)入軟件Star-ccm+進(jìn)行CFD流體網(wǎng)格劃分。對(duì)噴油孔區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，噴油冷卻系統(tǒng)的網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 噴油冷卻系統(tǒng)網(wǎng)格模型

完成網(wǎng)格劃分后，在軟件中對(duì)油管的入口、出口邊界及冷卻油液的物理模型進(jìn)行設(shè)置。三維計(jì)算過(guò)程中，為便于分析，對(duì)油液及其流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行一定的條件限定： 假定油液不可壓縮、 忽略其熱膨脹系數(shù)及能量交換等[9]，并且油液滿足三維定常湍流流動(dòng)的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程。三維仿真的參數(shù)和邊界條件如表1所示。

表1 三維仿真參數(shù)設(shè)置

2) 三維仿真結(jié)果

變速箱啟動(dòng)后，油溫會(huì)迅速?gòu)沫h(huán)境溫度上升到80～100 ℃，為了與試驗(yàn)進(jìn)行比較，設(shè)定入口流量為12 L/min，溫度為90 ℃。此工況下，噴油孔冷卻液的三維噴射仿真結(jié)果和噴油孔的編號(hào)如圖5所示。A1，A2，A6，A7，A12和A13為電機(jī)1左側(cè)端部繞組噴孔；A4，A5，A9，A10，A15和A16為電機(jī)1右側(cè)端部繞組噴孔；A3，A8和A14為電機(jī)1定子鐵芯噴孔，A11為電機(jī)1右軸承噴孔。B1，B2，B6，B7，B12和B13為電機(jī)2左側(cè)端部繞組噴孔；B4，B5，B9，B10，B15和B16為電機(jī)2右側(cè)端部繞組噴孔；B3，B8和B14為電機(jī)2定子鐵芯噴孔；B11為電機(jī)2右軸承噴孔，C1為電機(jī)1左軸承噴孔，C2和C3為電機(jī)2輸入軸齒輪和中間軸齒輪嚙合位置噴孔。仿真結(jié)果顯示各個(gè)噴油孔的噴射狀態(tài)良好。噴油冷卻系統(tǒng)三維壓力分布云圖結(jié)果如圖6所示，進(jìn)油管入口壓力為0.03365 MPa。

圖5 三維仿真結(jié)果

圖6 噴油冷卻系統(tǒng)壓力云圖

試驗(yàn)一般只能得到系統(tǒng)的入口壓力和噴油孔的流量，而三維計(jì)算還能得到其他各個(gè)部位的壓力，可以更好的為一維仿真模型的標(biāo)定提供依據(jù)。

2.2 一維仿真分析

采用軟件AMESim進(jìn)行一維仿真計(jì)算，為噴油孔流量分配的多參數(shù)一維優(yōu)化分析建立準(zhǔn)確的模型。相對(duì)于數(shù)學(xué)建模的方式，基于AMESim的一維分析可避免出現(xiàn)由于流量、壓力和沿程損失相互制約導(dǎo)致的高階微分方程組眾多，求解困難的問(wèn)題。

1) 一維建模

首先根據(jù)管路幾何特性進(jìn)行分段，在AMESim中離散成不同單元，單元特征根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。例如直管，通過(guò)設(shè)置直管的液力直徑、長(zhǎng)度和內(nèi)壁粗糙度等，簡(jiǎn)化成一個(gè)流量與沿程損失相關(guān)的單元，彎管、三通管等其他單元也采用類(lèi)似的方法處理。然后將所有單元連接起來(lái)，便建立了冷卻系統(tǒng)一維模型[10-11]。圖7是根據(jù)圖2所示油冷電機(jī)噴油冷卻系統(tǒng)建立的仿真模型。冷卻液在入口處以一定的壓力和流量注入,通過(guò)各個(gè)噴油孔噴出,每個(gè)通道的流量相互影響。

2) 一維仿真結(jié)果

與三維分析相同的工況下，進(jìn)油口壓力、圖7中A點(diǎn)壓力、噴油孔最大壓力和最小壓力的一維仿真結(jié)果，以及與三維仿真結(jié)果的對(duì)比如表2所示，一維分析相對(duì)于三維分析的誤差小于7%。從進(jìn)油口到噴油孔，壓力逐漸減小，壓力分布的趨勢(shì)也保持一致，如圖8所示。流量分配對(duì)比結(jié)果將在第4小節(jié)與試驗(yàn)結(jié)果一并給出。

圖7 基于AMESim的一維仿真模型

表2 一維仿真結(jié)果及與三維結(jié)果對(duì)比

圖8 原方案一維、三維壓力分布仿真結(jié)果對(duì)比

冷卻液從噴油孔入口噴出到外界，噴油孔壓差決定了噴射流量，若試驗(yàn)測(cè)試的流量分配、以及系統(tǒng)入口壓力與三維分析一致，則驗(yàn)證了三維分析的精度。由于三維分析的沿程壓力損失分析精度高[4]，通過(guò)三維校核一維的壓力損失，最終確定一維分析的精度滿足優(yōu)化分析的需求。

3 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證上述仿真分析的精度，建立了如圖9所示的流量分配試驗(yàn)臺(tái)[12]。試驗(yàn)臺(tái)由液壓供油系統(tǒng)和冷卻噴油系統(tǒng)組成，不包含電機(jī)本體，僅測(cè)試噴油孔的流量及噴油狀態(tài)。在進(jìn)油管入口位置安裝了油壓傳感器以監(jiān)測(cè)入口油壓。由于噴油孔位置無(wú)法安裝油壓傳感器，試驗(yàn)不能監(jiān)測(cè)每個(gè)噴油孔的壓力，而仿真卻容易實(shí)現(xiàn)，這也體現(xiàn)了仿真分析的優(yōu)勢(shì)。

圖9 油冷電機(jī)噴油冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)

入口流量12 L/min，油溫90 ℃的條件下進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)油管入口測(cè)試油壓為0.03301 MPa，進(jìn)油管入口油壓三維仿真的誤差為1.94%，一維仿真的誤差為4.82%。待系統(tǒng)穩(wěn)定后分別測(cè)出每個(gè)噴油孔的冷卻液流量，電機(jī)1不同位置噴油孔的冷卻液流量對(duì)比如表3所示，電機(jī)2不同位置噴油孔的冷卻液流量對(duì)比如表4所示。仿真與試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各噴油孔流量相對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果，三維仿真和一維仿真的最大誤差分別為3.32%和4.07%，流量分配誤差不超過(guò)5%，仿真精度滿足工程分析要求。誤差來(lái)源主要包括數(shù)學(xué)模型與實(shí)際管路的差異、油液黏度特性差異以及仿真的簡(jiǎn)化處理等。由于噴油孔的直徑非常小，加工精度難以保證，是噴油孔流量分配仿真誤差的主要來(lái)源。

4 噴油管系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用多參數(shù)優(yōu)化計(jì)算方法，首先確定優(yōu)化變量及其取值范圍， 然后對(duì)其進(jìn)行離散。由第2小節(jié)分析可知，根據(jù)式(3)，確定優(yōu)化變量為電機(jī)繞組處噴油孔直徑K1，中間及軸承位置噴油孔直徑K2和噴油管直徑K3。變量取值范圍越寬、離散量越大，計(jì)算量也越大，離散時(shí)應(yīng)考慮孔徑的加工可行性、同時(shí)兼顧計(jì)算量和計(jì)算精度。以噴油孔直徑為例，孔徑小于0.8 mm就難以加工，而孔徑太大，需求流量也增加，影響液壓系統(tǒng)效率。綜合考慮，噴油孔直徑取值范圍為0.8～1.8 mm,離散量為6。各變量的取值范圍和離散量如表5所示。

表5 優(yōu)化變量及離散

在AMESim中設(shè)置3個(gè)全局變量Global Parameters，然后在仿真參數(shù)管理Study Manager中將3個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)化為變量并進(jìn)行離散。按照表5所示，計(jì)算量總計(jì)為6×6×9=324。通過(guò)AMESim計(jì)算，圖10是各個(gè)方案噴油孔最小壓力的變化范圍，最小壓力小于0.04 MPa。圖11是各個(gè)方案噴油孔最大壓差的變化范圍，最大壓差的變化為0.00118～0.00214 MPa。

表3 電機(jī)1噴油孔冷卻潤(rùn)滑流量對(duì)比 L·min-1

表4 電機(jī)2噴油孔冷卻潤(rùn)滑流量對(duì)比 L·min-1

圖10 各方案噴油孔最小壓力

圖11 各方案噴油孔最大壓差

圖12是所有方案的噴油孔最小流量的變化，部分方案的最小流量小于0.2 L/min，不滿足gj(X) ≥0.2 L/min 這一限制條件，而滿足限制條件的方案共有162個(gè)。其中，滿足各噴油孔壓差最小這一最優(yōu)條件的方案為K1=1 mm，K2=1.2 mm，K3=5.8 mm。此時(shí)，噴孔最小流量為0.204 L/min，最大壓差為0.00119 MPa，比初始方案最大壓差減小了11.85%。原始方案靠近進(jìn)油口位置的噴油孔壓力大，油液噴射力度大，遠(yuǎn)離進(jìn)油口的末端位置噴油孔壓力小，油液噴出力度小，如圖9黑色圈所示，其冷卻液未噴射到透明玻璃罩上。優(yōu)化后的噴油系統(tǒng)末端噴油效果如圖13所示，由于壓差減小，末端位置噴油孔冷卻液噴出力度明顯增強(qiáng)。

圖12 各方案噴油孔最小流量

圖13 噴油管末端噴油效果

5 結(jié)論

(1) 各噴油孔流量三維、一維分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的最大誤差分別為3.32%和4.07%，分析精度都能較好的滿足工程分析要求；

(2) 基于AMESim一維多參數(shù)優(yōu)化分析，最優(yōu)方案相比原始方案，最大壓差減小11.85%，提升了電機(jī)冷卻均勻性；

(3) 通過(guò)三維、一維相結(jié)合的仿真分析方法，建立了油冷電機(jī)噴油孔流量分配特性的系統(tǒng)研究方法，優(yōu)化變量合理，分析高效可行。